Цифровой дизайн белка работает как антифриз для биоматериалов

Голландские и американские исследователи использовали компьютерное моделирование для разработки белка, работающего как антифриз. В будущем этот белок можно будет использовать для заморозки и разморозки биоматериалов, таких как иммунные клетки, сперма и, возможно, даже донорские органы, без повреждений. Об этом сообщили химики из Вагенингенского университета (WUR), Технологического университета Эйндховена (TU/e) и Вашингтонского университета в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

При заморозке биоматериалов, как и в случае с клубникой, образуются кристаллы льда, которые повреждают клеточную структуру. Это же происходит с замороженными донорскими органами, спермой и клетками для иммунотерапии.

Международная группа под руководством Ренко де Вриса (WUR) и Ильи Фоетс (TU/e) разработала на компьютере белок, который борется с образованием ледяных кристаллов, вдохновляясь природным механизмом рыб Арктики. «Природа уже нашла способы справляться с отрицательными температурами», — объясняет аспирант WUR Роб де Хаас, первый автор публикации. Рыбы вырабатывают антифризные белки, предотвращающие образование льда в их телах.

Хотя антифризные белки известны давно, они очень сложны для воссоздания. Поэтому Де Хаас создал упрощённую версию, сначала на компьютере, а затем в лаборатории. За основу был взят белок американской камбалы. Учёный упростил его, удалив выступы, оставив так называемую альфа-спираль — спиралевидную структуру, подобную пружине.

Скрученная форма

Как и пружина, альфа-спираль имеет стабильную форму, но её можно слегка деформировать скручиванием. «Мне пришло в голову, что природные антифризные белки у рыб именно так и деформированы», — говорит Де Хаас. Это наблюдение ранее не приходило в голову другим исследователям.

На компьютере были созданы четыре цифровые варианта белка: от идеальной спирали до постепенно скрученных версий. Затем эти варианты были воссозданы в бактериях в лаборатории.

Де Хаас проверил функцию белков, добавив их в мелкий резервуар с водой, охлаждённой почти до точки замерзания, и изучив кристаллы льда под микроскопом. Хотя образование кристаллов предотвратить полностью не удалось, в присутствии скрученных антифризных белков они были меньше и менее разрушительными. «Скручивание белка позволяет аминокислотам, которые связываются с кристаллами воды, идеально выстроиться», — объясняет учёный. Таким образом, белок точно «садится» на лёд, как в идеальную форму, предотвращая дальнейший рост кристаллов под ним.

Несмотря на успех, искусственный антифризный белок ещё не готов для применения к трансплантационным органам. «Это дело далёкого будущего, — говорит Де Хаас. — Сначала мы хотим протестировать, предотвращает ли наш антифриз повреждения при заморозке и разморозке простых клеток».

Основные проблемы обычно вызывает именно процесс разморозки. Быструю заморозку клеток можно упростить, погрузив их в жидкий азот. Но разморозка остаётся постепенным процессом, дающим время для образования острых кристаллов льда.

«Первые тесты, проведённые коллегами из группы по разведению животных и геномике, показали положительный эффект нашего антифризного белка на выживаемость замороженной и размороженной спермы свиней. Это открывает перспективы для дальнейших совместных исследований», — говорит Де Врис.

Дополнительное преимущество белка WUR — его простота. «Антифризные белки, встречающиеся в природе, невероятно сложно изучать, — говорит Де Хаас. — Существует огромное разнообразие, и из-за сложных форм учёные не всегда понимают, как они работают». С помощью искусственного белка Де Хаас вернулся к абсолютным основам.

Фоетс заявляет: «Впервые мы можем цифровым способом проектировать антифризные белки и измерять их исключительно на уровне белка. Благодаря этим двум открытиям в будущем мы сможем лучше изучить, как именно работают антифризные белки».